[发明专利]过渡金属低氧化物的固态能量采集器

说明书

提供了固态能量采集器及制造和使用固态能量采集器的方法，所述固态能量采集器包括利用固态电解质来产生功率的金属低氧化物和二氧化铈的层。固态能量采集器可以具有每电池两个或三个电极，并且在水蒸气和氧气的存在下产生功率。

本文引用的所有参考文献，包括但不限于专利和专利申请，通过引用以其整体并入。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年3月12日提交的美国临时专利申请第62/641,779号的权益，该美国临时专利申请在此通过引用以其整体并入。

背景

能量采集器是不储存能量，而是从环境中收集能量的装置。参见，例如，美国专利第8,115,683号；第10,147,863号；第10,142,125号和第10,141,492号。例如，能量采集器从多种来源(例如，太阳能、热能、风能、盐度梯度、动能、压电、热电(pyroelectric)、热电(thermoelectric)和RF-捕获装置，如晶体收音机(crystal radio))收集能量。有些是非常高能量的发生器，诸如风能和太阳能，并且有些是非常低能量的输出，诸如压电或RF采集器。然而，这些能量采集器不储存能量，而是从它们的周围环境中采集能量。

最近已经努力制造一种仅使用电子而不是离子来转移电荷的电池。Sigler,D.,“All-Electron Battery–Stanford Strikes Again,”CAFE Foundation(3/28/2015)(cafe.foundation/blog/electron-battery-stanford-strikes)。然而，这些装置储存而不是采集能量。

所需要的是使用固态电解质来从周围环境中产生按需能量以用于多种应用的能量采集器装置。

概述

本文描述的方面提供了固态能量采集器、固态能量采集器系统和相关方法，在某些方面中，固态能量采集器、固态能量采集器系统和相关方法使用过渡金属的多种氧化物，所述氧化物允许其晶体结构的物质(mass)中的非整数价态。本文描述的方面不使用液体电解质，但使用电子转移电荷。

在所描述的方面中使用的示例性的氧化物根据环境中存在的气态氧气和气态水蒸气来改变它们的极性。在一个方面中，只要存在两种组分(例如，气态氧气和气态水蒸气)，由能量采集器产生的动力就是连续的。不受理论的束缚，据信水蒸气具有重要作用，包括该分子自电离成羟基离子和质子。这可以扩大铈低氧化物(cerium suboxide)的交换电位，允许随后的氧化还原反应。

本文描述的方面还可以用作电池或电容器。

在某些方面中，如本文所描述的过渡金属氧化物可以是钨、钛和钴的“低氧化物”。每一种具有小于该元素的氧化物的稳定整数值的平均化合价，并且因此被称为“低氧化物”。在此方面中，化合价值是晶体物质(crystal mass)的平均值。这种不平衡为每种化合物提供了对于每种化合物不同的电负性。活性阴极材料Co₃O₄比阳极材料Ti₄O₇是较低电负性的，并且因此相对于阳极是“电正性的”。在一个方面中，固态电解质(SSE)包括CeO₂，并且钨低氧化物WO_2.9转移电荷。

不受理论的束缚，据信氧气进入阴极，携带其两个负电荷(电子)，并且嵌入到晶体结构中。Co₃O₄中的缺陷产生过量的电子，这些电子带着它们松散结合的氧原子滑动到CeO₂晶体上，氧原子携带两个电子。这些电子由于WO_2.9的较低电负性被吸引并且被CeO₂“电解质”所促进，在整个电池中自由迁移。阳极中的Ti₄O₇收集过量的电子，这些电子然后可以被释放到外部电路以产生能量。